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航空用TC18钛合金锻饼的制备工艺

发布时间 :2018-10-08 09:52:31 浏览次数 :

TC18钛合金为高合金化、深度淬透性的过渡型α+β钛合金,具有高强度、高韧性、优良的塑性和焊接性的特点,俄罗斯牌号为BT22,由前苏联航空材料研究院(BHAM)于1974年开发成功,名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。

钛锻件

TC18钛合金一般在退火状态下使用,强度水平与TC4、TC6等钛合金固溶时效状态的强度相当,也可以通过固溶时效进行强化,其半成品包括板材、棒材、挤压型材和锻件,国外已将其广泛应用于制备大型机起落架横梁、机身对接框等主承力结构件,在飞机结构中用TC18钛合金代替高强钢或TC4钛合金,可减重15%~20%。

以下介绍航空用TC18钛合金锻饼的制备工艺,重点研究了双重退火时采用不同的第一级高温退火温度对于TC18钛合金组织及性能的影响,从而为TC18锻件热处理工艺的确定提供依据。

1、实验方法

1.1 合金的熔炼

原材料选用0级海绵钛、AlMo合金、AlV合金及纯Fe、纯Cr,采用真空自耗电炉经三次熔炼得到Φ440mm×1800mm铸锭,铸锭的化学成分见表1所示。

1.2 饼材的锻造

铸锭在β相区开坯锻造成Φ230mm,然后用锯床切成Φ230mm×310mm的饼坯;在β相区将饼坯镦粗到Φ320mm×160mm,再换向拔长成到Φ230mm×310mm,重复三次;成品的锻造温度在α+β两相区,采用边镦粗边滚圆,最后锻成Φ400mm×90mm饼材。

1.3 锻饼的热处理

对于TC18钛合金锻件,推荐的热处理制度为双重退火,即第一级高温退火:820~850℃,保温1~3 h,炉冷至740~760℃,保温1~3 h,空冷;第二级低温退火:加热至500~650℃,保温2~6 h,空冷。

为了研究第一级高温退火温度对于双重退火组织及性能的影响,分别采用试验a和试验b进行双重退火试验。

从锻造后的Φ400mm×90mm饼材上,切取纵向和横向试样。试样经热处理后,用光学显微镜观察显微组织,进行室温力学性能测试。

钛制品

2、实验结果和分析

2.1 TC18钛合金双重退火的显微组织

试验a的双重退火态组织由初生αp相和β基体组成(见图1a),初生αp相均匀分布,呈等轴状,次生αs相较细小,不易分辨,所有的β晶界已充分破碎。试验b的双重退火态组织中出现大量的片状次生αs相(见图2b),初生等轴αp相增粗,且比例减少。

研究表明,TC18钛合金双重退火时,第一级较高温度的固溶退火是为了保留一定数量的亚稳定相,同时锻压变形的合金发生再结晶,随后较低温度的保温是组织稳定化处理,为后续的第二级时效退火做准备。

初生αp相是在第一级较高温度的退火所形成的,在空冷过程中保留下来,次生αs相是由高温时的β相在空冷过程转变得到的。第一级的高温退火温度越高,初生αp相含量就越少,β相含量就越多,由其转变得到的次生αs相也就越多,因此820℃的第一级退火与850℃的第一级退火比较,后者双重退火态组织中的初生αp相减少,次生αs相增多。

2.2 TC18钛合金双重退火的力学性能

两种双重退火试验后,TC18钛合金的力学性能见表2。

可以看出,随着第一级高温退火温度由820℃提高到850℃,拉伸强度有一定的提高,塑性有所降低。这是由于随着第一级高温退火温度的升高,初生αp相减少而片状次生αs相的数量随之增加,两相间的界面增多,造成第二相强化效应增强,使得合金的强度升高。条状界面阻碍位错的滑移,位错不易绕过片状αp相,引起变形困难,因此塑性降低。

同时,随着第一级高温退火温度由820℃提高到850℃,冲击韧性和断裂韧性有所降低。这是由于等轴αp相含量减少,片状次生αs相的数量增加,裂纹扩展的路径曲折度减少,降低了断裂时需要的能量,因此冲击韧性和断裂韧性降低。

对比试验a与试验b,前者的双重退火态TC18合金具有优良的室温力学性能,并且得到理想的的强韧度匹配,其组织及性能完全符合航空用钛及钛合金锻件规范(GJBT2744A-2007)的要求。

钛合金锻件

3、结 论

①提高第一级高温退火温度,双重退火后初生等轴αp相减少,次生片状αs相含量增多;同时拉伸强度有一定的提高,塑性降低,冲击韧性和断裂韧性也有所降低。

②采用820℃×2h,FC至750℃×2h,AC;580℃×3h,AC的双重退火工艺,TC18钛合金锻饼具有优良的室温力学性能,可得到理想的的强韧度匹配。

参考文献:

[1] 于兰兰,毛小南,赵永庆,等.热变形行为与BT22钛合金的组织演变[J].稀有金属材料与工程,2007,(3).

[2] 沙爱学,李兴元,王庆如,等.热变形温度对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2005,(8).

[3] 王晓燕,郭鸿镇,姚泽坤,等.双重退火对TC18钛合金等温锻件组织性能的影响[J].材料热处理学报,2009,(1).


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